让中美科研成果落地长春

郭春雷和沈春雷摄

■我们的记者沈春雷

郭春雷的中美光子联合实验室已在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称长春光学研究所)建成，从开始运行到开始运行已有一年多时间，并拥有一支30多人的团队。

美国罗彻斯特大学光学教授兼实验室主任郭春雷在接受《中国科学报》采访时说:“当我作为学生离开长春时，现在我以学者的身份回到长春，并在这里建立了一个新的实验室。我希望利用长春光学研究所和罗切斯特大学的研究基金，把中美两国的科研成果带到长春来。”

从散射光技术开始

材料表面的微纳结构是肉眼看不到的，但它们对材料的物理、化学和生物性能起着重要的决定性作用。

在过去的几年里，郭春雷和他的研究小组发现了一种通过将激光脉冲照射到材料表面来操纵微纳结构的方法。他们改变了这些材料，使它们防水，亲水，并吸收大量的光，“所有这些都不需要任何形式的涂层。”郭春雷说。

今年，郭春雷的团队将研究向前推进了一步。“我们率先开发了一种技术，可以可视化材料表面微纳结构形成的整个过程。”郭春雷解释说:“我们首先确定，通过在材料表面创造微小结构，材料的性质可以发生很大的变化，所以下一步是了解这些结构是如何形成的。”

目前，制作一个一英寸见方的金属样品大约需要一个小时。阐明微纳结构是如何形成的可能会使科学家们简化这些结构的制造——包括提高表面形成的速度和效率。

制造和改变这些小结构将改变材料的一些特性，从而消除对化学涂层的需求。为了产生这些效果，研究人员使用了飞秒激光。激光器输出一个持续数十飞秒(1飞秒等于十亿分之一秒)的超快脉冲。

改变激光的条件可以导致表面结构的形态和功能变化，例如它们的几何性质、尺寸和密度，从而材料可以表现出不同的特定物理性质。因为该过程发生在飞秒、皮秒和纳秒级别，所以很难获得该过程的详细图像或图像。

光从地球传播到月球大约需要一秒钟。然而，光在一纳秒内的传播距离约为一英尺，而在一飞秒内的传播距离约为0.3微米，这仅相当于病毒或细菌的直径。

郭春雷解释说，典型的相机以每秒5-30帧的速度记录一系列图像。当实时显示这一系列图像时，人眼可以感知到连续的动作，而不是一系列分离的帧。

那么，郭春雷的团队是如何以几微秒、几纳秒和几皮秒的间隔记录这些帧的呢？他们使用了散射光技术。在飞秒激光脉冲中，光束被分成两部分，一部分泵浦光束照射到目标材料上，产生微纳结构变化，另一部分探测光束作为闪光灯照亮整个过程，并记录在CCD相机上。

郭春雷指出:“通过飞秒散射光脉冲，我们可以以极快的速度捕捉到非常微小的变化，并清楚地看到这些结构是如何开始形成的。”

因此，郭春雷的团队在《光:科学与应用》上发表了一篇文章，介绍了这种通过激光改变材料表面来记录超快电影的散射光成像技术。他说:“这项技术打开了整个过程的窗口，从激光熔化材料，到短暂的表面波动，再到固化，最终形成永久性的微纳结构。”

将实验室引入中国

《光:科学与应用》是长春光学机械有限公司创办的光学杂志。其影响因素在国际同类期刊中名列前三。早在2013年，郭春雷访问长春光机所时，就接受了《光:科学与应用》编辑部的编委聘书，与相关领域的科研人员探讨了科研项目和人才培养的合作。

2016年，长春光学研究所成立了郭春雷的中美联合光子实验室，主要从事超快激光科学、激光与固体物质相互作用、材料科学、纳米光电子学等领域的研究工作。

为什么不选择北京、上海和其他大城市呢？郭春雷解释道:“我在美国的实验室成立于2001年，与长春光学有许多相似之处。长春光学研究所是中国光学的发源地。我们之前一直在讨论潜在合作的可能性。随着实验室的建立，这个想法变成了现实。”

看着崭新的办公楼和完整的实验设施，郭春雷感谢长春光机所提供的基础科研条件，他的许多想法正在付诸实践。如今，中外合作相当普遍。郭春雷希望他在美国和中国的实验室能够互相交流，顺利沟通。

瞄准应用，拓展人才

在短短的一年时间里，郭春雷的中美联合光子实验室的科研团队不断壮大。郭春雷说:“我们吸引了南开大学教授、苏联学者和海外归国人员等众多人才，招聘工作仍在继续。”

未来，郭春雷的中美联合光子实验室将为各种技术提供更广阔的发展空间，包括第三世界国家的耐腐蚀建筑材料、能量吸收器、燃料电池、空间望远镜、飞机除冰、医疗器械和卫生设备。

几年前，郭春雷的团队开发了一种创新技术，利用高精度激光使金属具有超疏水特性，简而言之，就是使金属防水。郭春雷指出，这项技术并没有让金属有一层类似特氟隆的防水涂层，而是让金属本身防水。接触金属后，水立即反弹。

郭春雷说，这种超疏水金属有很多用途，比如厨房用具和飞机。如果使用这种金属，平面不会冻结，因为水不能冻结在这种金属上。在卫生设施差的贫穷国家，这种金属可以造福公众。由于其独特的防水性能，这种金属基本上可以“自我清洗”。

为此，郭春雷的研究团队获得了比尔及梅林达·盖茨基金会和一些美国国家机构的资助。最近，梅林达·盖茨基金会启动了一个重大科学研究项目，支持郭春雷在中国和美国的两个实验室联合研发新一代卫生材料。

虽然目前中国实验室的科研工作大多是在美国实验室的基础上进行的，但瞄准应用领域是郭春雷在中美联合光子实验室建立之初的使命。郭春雷说:“我希望我们研究的技术能够进入人们的日常生活。”

《中国科学日报》(第六版，2017年10月23日)